Растровый спектрометр с селективной модуляцией Советский патент 1990 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроению

Цель изобретения - увеличение снето- силы и расширение спектрального диапазона.

На фиг. 1 представлена схема растро вого спектрометра; на фиг. 2 - пример пр дельно компактной циклической последовательности периода Л - 11, на фиг. 3 -- соответствующий этой последовательности растр на фиг. 4, 5 - функции пропускания растрового спектрометра при работе выходного растра на пропускание и отражение соответственно, на фиг. 6 - результирующая аппаратная функция спектрометра.

Растровый спектрометр с селективной модуляцией содержит входной растр 1, моно- хроматор, состоящий из коллиматорного объектива 2, диспергирующей системы 3 и фокусирующего объектива 4, выходной растр 5, систему исключения постоянной состав ляющей из объективов б и 7 и модулятора 8, приемно-регистрирующую систему 9. ДисперrnpvvMi /I (.исгема Л представляет соб-рн. например, дифракционную решетку. Неп о- зрачныс элементы выходного растра 5 выполнены зеркальными Модулятор 8 имеем тььыс- ламмели Прозрачные и Hfiij O зрачмыр элементы растров выполнены ч ви к равных по ширине и параллельны тд р дрму полос, чередование ко горы i ьет. 1 в е г черелованию е шниччыч и HV. TH.JX элементов предельно кчлчг кшой цик.щ ис- кой последовательности (фиг 2) Для обеспечения аппаратной бе побочных максимумов чи.ло рабочих племен тов, уклааызающихся по нолю растров в на- прлп.| -нии jM персии, | бы н, едини меньше периода V соответствующей цикли ческой последовательности, число прозрачных И Щ-ПриЗрачНЫХ leMUlTO КЛ .;|

вающих я по полю растров в направлении, перпендикулярном ; и спорой и. равняет чн целому чист перио;им циклической после довательносги, т е. . - 1 и ., где , 2, 3, В варианте конкретно о

От

05

1

Ос

со

Ю

выполнения растров (фиг. 3) N 11, , 11. При расположении растров в оптической схеме направление полос выходного растра совпадает с направлением изображений полос входного растра в плоскости выходного растра.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от исследуемого источника проходит прозрачные элементы входного растра 1, попадает на коллиматорный объектив

п.,1П

2,который формирует параллельный пучок lu и посылает его на диспергирующую систему

3.Разложенное в спектр излучение попадает на фокусирующий объектив 4, который строит ряд смещенных друг относительно

ния выходного растра 5 в направлении, перпендикулярном дисперсии, и последовательностями, описывающими в этих же сечениях распределение освещенности монохроматического изображения входного растра,

равна нулю. Поэтому величина потока, прошедшего выходной растр, будет пропорциональна площади выходного растра So:F0 So(jV+ l)/2jV, а величина потока, отраженного от выходного растра, будет равна нулю. Для других длин волн KI монохроматические изображения входного растра I не совпадают с выходным растром 5 и площадь их взаимного пересечения S, тем меньше площади выходного растра So, чем дальше

друга в направлении дисперсии монохрома- 15 Длина волны А,, отстоит от длины волны натических изображений входного растра 1 на выходном растре 5. Если площадь выходного растра разбить на узкие сечения в на правлении, перпендикулярном дисперсии, то распределение пропускания и отражения

стройки Ко. Если длина волны К, отличается от Ко на величину большую, чем разрешаемый спектральный интервал, то значение циклического сдвига между последовательностями, описывающими в каждом первдоль этого сечения, а также распределение 20 пендикулярном дисперсии сечении распределение пропускания (отражения) выходного растра и распределение освещенности совпадающего с ним сечения монохроматического изображения входного растра, больше единицы. Поэтому величины прошедшего чеосвещенности в каждом таком сечении монохроматических изображений входного растра будут описываться циклической последовательностью длиной в целое число ее периодов. Причем распределение отражения в указанных сечениях выходного растра будет соответствовать дополнительной циклической последовательности, которая образована из исходной заменой единичных элементов на нулевые, а нулевых - на единичные. Величина монохроматического потока, прошедшего и отраженного от каждого такого сечения выходного растра будет определяться соответственно значениями функций автокорреляций исходной последовательности и функции корреляции исходной последовательности и дополнительной к ней. Под автокорреляционной функцией и корреляционной функцией понимается зависимость суммы произведений взаимно-совпадающих членов последовательностей от величины циклического сдвига между этими последовательностями. Предельно компактные циклические последовательности имеют двузначные автокорреляционную и корреляционную функции. Т. е. если величина циклического сдвига между последовательностями

рез выходной растр и отраженного от него монохроматического потока одинаковы и пропорциональны площади пересечения выходного растра и монохроматического изображения входного растра Sl:Fl S,)/4М.

Зо Проходящий и отраженный от выходного растра потоки FI и F2 (фиг. 4, 5) зеркальными объективами б и 7 направляются на вращающийся модулятор 8 с зеркальными ламмелями. При вращении модулятора 8 в приемно-регистрирующую систему 9

35 поочередно поступают световые потоки, прошедшие через растр 5 и отраженные от него. Приемно-регистрирующая система 9 настроена на частоту модуляции и регистрирует разность ,T . e. только переменный сигнал от светового потока с длиной волны настройки Ко (фиг. 6). Изменение этой длины волны, т. е. сканирование спектра, осуществляется поворотом диспергирующей системы 3.

В растровом спектрометре прозрачные и

40

равна нулю, то значение автокорреляцией1 45 непрозрачные рабочие элементы расположеной функции равно ()/2N, а корреляционная функция при этом обращается в нуль. Если же величина циклического сдвига между последовательностями становиться больше единицы, то автокорреляционная и корреляционная функции принимают значение (N + )/4N, которое при увеличении циклического сдвига не меняется.

На длине волны настройки Ко монохроматическое изображение входного растра 1 в точности совпадает с выходным растром 5.

ны по полю растров в соответствии с чередованием нулей и единиц предельно компактной циклической последовательности. Однако в предлагаемом спектрометре целому 1ислу периодов циклической последователь- 50 ности соответствует пропускание сечения растров не параллельного, как в прототипе, а перпендикулярного направлению дисперсии. Такое расположение рабочих элементов растров сохраняет аппаратную функцию без побочных максимумов и высокое разрешение.

При этом величина циклического сдвига 55 определяющееся шириной рабочего элемента между последовательностями, описывающи- в направлении дисперсии, а также обес- ми пропускание (отражение) каждого сече- печивает преимущества спектрометра, кото

ния выходного растра 5 в направлении, перпендикулярном дисперсии, и последовательностями, описывающими в этих же сечениях распределение освещенности монохроматического изображения входного растра,

равна нулю. Поэтому величина потока, прошедшего выходной растр, будет пропорциональна площади выходного растра So:F0 So(jV+ l)/2jV, а величина потока, отраженного от выходного растра, будет равна нулю. Для других длин волн KI монохроматические изображения входного растра I не совпадают с выходным растром 5 и площадь их взаимного пересечения S, тем меньше площади выходного растра So, чем дальше

Длина волны А,, отстоит от длины волны настройки Ко. Если длина волны К, отличается от Ко на величину большую, чем разрешаемый спектральный интервал, то значение циклического сдвига между последовательностями, описывающими в каждом перпендикулярном дисперсии сечении распределение пропускания (отражения) выходного растра и распределение освещенности совпадающего с ним сечения монохроматического изображения входного растра, больше единицы. Поэтому величины прошедшего че0 пендикулярном дисперсии сечении распределение пропускания (отражения) выходного растра и распределение освещенности совпадающего с ним сечения монохроматического изображения входного растра, больше единицы. Поэтому величины прошедшего через выходной растр и отраженного от него монохроматического потока одинаковы и пропорциональны площади пересечения выходного растра и монохроматического изображения входного растра Sl:Fl S,)/4М.

о Проходящий и отраженный от выходного растра потоки FI и F2 (фиг. 4, 5) зеркальными объективами б и 7 направляются на вращающийся модулятор 8 с зеркальными ламмелями. При вращении модулятора 8 в приемно-регистрирующую систему 9

5 поочередно поступают световые потоки, прошедшие через растр 5 и отраженные от него. Приемно-регистрирующая система 9 настроена на частоту модуляции и регистрирует разность ,T . e. только переменный сигнал от светового потока с длиной волны настройки Ко (фиг. 6). Изменение этой длины волны, т. е. сканирование спектра, осуществляется поворотом диспергирующей системы 3.

В растровом спектрометре прозрачные и

0

ны по полю растров в соответствии с чередованием нулей и единиц предельно компактной циклической последовательности. Однако в предлагаемом спектрометре целому 1ислу периодов циклической последователь- ности соответствует пропускание сечения растров не параллельного, как в прототипе, а перпендикулярного направлению дисперсии. Такое расположение рабочих элементов растров сохраняет аппаратную функцию без побочных максимумов и высокое разрешение.

определяющееся шириной рабочего элемента в направлении дисперсии, а также обес- печивает преимущества спектрометра, которые заключаются в двукратном увеличении светосилы за счет использования всей площади выходного растра и упрощении конструкции за счет исключения предварительной фильтрации излучения.

Формула изобретения

Растровый спектрометр с селективной модуляцией, содержащий оптически связанные монохроматор с входным и выходным растрами, имеющими прямоугольный контур и состоящими из прозрачных и непрозрачных полос, чередование которых соответствует чередованию единичных и нулевых элементов в одной и той же предельно компактной циклической последовательности, систему исключения постоянной составляющей и приемно-регистрирующую систему, отличающийся тем, что, с целью увеличения светосилы и расширения спектрального диапазона, рабочие элементы растра размещены по полю растра наклонно по отношению к его прямоугольному контуру так, что число рабочих элементов растра, укладывающихся по полю каждого из растров в направлении дисперсии монохроматора по крайней мере на единицу меньше периода предельно компактной циклической последовательности, а число рабочих элементов растра, укладывающихся по полю каждого из растров в на правлении, перпендикулярном дисперсии монохроматора, равно целому числу периодов предельно компактной циклической последовательности.

Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения. Целью изобретения является увеличение светосилы и расширение спектрального диапазона. В растровом спектрометре растры имеют прямоугольный контур и состоят из прозрачных и непрозрачных полос, чередование которых соответствует чередованию единичных и нулевых рабочих элементов. Это чередование соответствует предельно компактной циклической последовательности. Рабочие элементы в каждом растре размещены наклонно по отношению к прямоугольному контуру. Число рабочих элементов, укладывающихся по полю каждого из растров в направлении дисперсии монохроматора, хотя бы на единицу меньше периода циклической последовательности. Число рабочих элементов, укладывающихся по полю растров в направлении, перпендикулярном дисперсии, равно целому числу периодов циклической последовательности. В спектрометре упрощается конструкция за счет исключения предварительной фильтрации излучения. 6 ил.

Фиг. 1

1 1 о о оГПо

Фиг.2

Фиг.З

ФигЛ

Ft

Фиг. 5